Matrijsloze constructie voor eenmalige en prototype-onderdelen

Voor minder gewichtskritische eenmalige onderdelen of prototypes voorafgaand aan de productie kan dit proces tijd en kosten besparen ten opzichte van het conventionele proces voor het maken van een composiet onderdeel, waarbij normaal gesproken eerst een patroon wordt gemaakt, vervolgens een vrouwelijke mal van dat patroon wordt gemaakt en ten slotte de mal wordt gebruikt om het afgewerkte onderdeel te maken, wat vaak het spuitgieten wordt genoemd.

De voor de hand liggende voordelen van een 'matrijsloos' proces zijn de verminderde materialen, tijd en kosten die gemoeid zijn met het maken van zowel een patroon als een matrijs, die beide, in het geval van een eenmalig onderdeel, niet meer nodig zijn nadat het uiteindelijke onderdeel is gemaakt.

Een ander voordeel is dat volledig 3D-vormen, zoals de efficiëntieracer die in de tutorial wordt gemaakt, waarvoor anders mallen uit meerdere delen nodig zouden zijn om het onderdeel uit de mal te kunnen halen, uit één stuk kunnen worden gemaakt, waarbij het schuim achteraf wordt opgebroken en in stukken wordt verwijderd.

Er zijn echter belangrijke nadelen aan dit proces die ook in overweging moeten worden genomen:

1. Geen herhaalbaarheid - Als je meer dan één onderdeel nodig hebt, is het minder werk en levert het een beter product op als je een conventioneel spuitgietproces gebruikt.
2. Zwaardere onderdelen - Met een matrijsloze constructiemethode is het onmogelijk om onderdelen te maken die even licht zijn (voor dezelfde sterkte) als een gegoten onderdeel, vooral als deze vacuüm zijn geconsolideerd.
3. Minder mooi uiterlijk - Voor ongeverfde onderdelen van koolstofvezel die het uiterlijk van koolstofvezel laten zien, zal een constructieproces zonder mal altijd resulteren in wat extra weefvervorming of visuele 'rimpeling' in de wapening.

In deze tutorial doorlopen we het volledige proces van het maken van een goed afgewerkte koolstofvezel carrosserie voor een efficiëntieracer door eenvoudig koolstofvezel en hars op een handgevormde polystyreenschuimvorm te leggen.

De handleiding en gids bevatten informatie over:

• Welke materialen zijn geschikt voor de eerste
• Methoden om de vorm van de schuimvormer aan te passen aan je ontwerp
• Hoe te voorkomen dat hars aan het schuim blijft plakken
• Handlamineren van de hars en wapening op de former
• Overcoaten met extra hars om de afwerking te verbeteren

Schuim om de vorm te maken - Zie punt 1 hieronder.

Spuitlijm - Wordt gebruikt om de release film op de schuimvormer te plakken. Wij raden 3M Scotch Super 77 aan, hoewel de meeste universele permanente spuitlijmen voldoen. FusionFix van Easy Composites is niet geschikt.

Ongeperforeerde loslaatfolie - R210 loslaatfolie die wordt gebruikt om te voorkomen dat de lamineerepoxy aan het schuim blijft kleven.

Peel Ply (optioneel) - PP180 peel ply wordt gebruikt om de consistentie en afwerking aan de binnenkant van het laminaat te verbeteren en de secundaire hechting te verbeteren.

Epoxy Lamineerhars - Een geschikte epoxy lamineerhars om de wapening nat te maken; wij gebruiken EL2 Epoxy Lamineerhars met AT30 SLOW verharder voor een lange werktijd en uitstekende mechanische eigenschappen.

Versterking (d.w.z. koolstofvezel) - 3 lagen 210g 2x2 keper koolstofvezel vormen de hoofdversterking voor het onderdeel. De meeste composietversterkingen zijn geschikt, zoals koolstofvezel, glasvezel, vlas enz. Aramides (zoals Kevlar) kunnen worden gebruikt, maar zijn erg moeilijk vlak te schuren.

Epoxy Coating Hars - CR Coating Hars wordt in meerdere lagen over de bovenkant van het laminaat aangebracht en vervolgens gevlakt en gepolijst om de oppervlakteafwerking te verbeteren.

Dual Action / excentrische schuurmachine (optioneel) - Vlakmaken en polijsten van een ongevormd onderdeel.

Vlakschuren/afwerken - Dit proces omvat veel schuren en vlakschuren. We gebruiken een Mirka Deros vlakschuurmachine met Abranet Ace en Abralon pads.

Polijstpasta (optionele pads en polijstmachine) - NW1 Black cutting compound gevolgd door TOPFINISH2 polijstpasta worden gebruikt om het onderdeel een hoogglanzende afwerking te geven.

Hulpmiddelen - Lamineerborstels, aceton (om schoon te maken), persoonlijke beschermingsmiddelen, Perma-Grit snijschijf, stofschaar, handgereedschap om het schuim te snijden en vorm te geven.

De meeste soorten schuim kunnen worden gebruikt om de eerste te maken. Om de kosten van het project zo laag mogelijk te houden, is geëxpandeerd polystyreen (ook bekend als 'kraalplaat') goedkoop en overal verkrijgbaar, omdat het vaak wordt gebruikt als woningisolatie in bouw- en doe-het-zelfprojecten.

Er kunnen ook andere soorten schuim worden gebruikt, zoals RTM piepschuim (blauw schuim) en het duurdere polyurethaanschuim, dat vaker wordt gebruikt voor het maken van composietpatronen.

Als je een type piepschuim kiest, is het heel belangrijk om te onthouden dat harsen op basis van oplosmiddelen, zoals polyesterhars en bodyfiller, het schuim zullen oplossen als ze er direct mee in contact komen. In deze tutorial gebruiken we geen harsen op basis van oplosmiddelen, maar dit is een belangrijke overweging als je polyesterharsen of vulmiddelen zou gebruiken.

In dit geval worden standaardvellen piepschuim gebruikt om de vorm te maken. De vellen worden in afmetingen gesneden die geschikt zijn om een blok schuim te maken dat iets groter is dan de geplande projectgrootte. De blokken worden dan aan elkaar gelijmd met een schuimende PU-lijm zoals Gorilla Glue. Deze lijm is gekozen vanwege de sterkte, het gebruiksgemak en de schuimende werking, waardoor hij op dezelfde manier schuurt als het schuim.

Zodra het blok aan elkaar is gelijmd, worden eenvoudige kartonnen mallen van het bovenaanzicht en zijaanzicht gemaakt. Als alternatief kan het schuim eenvoudig CNC gesneden worden, of een hybride aanpak gebruikt worden waarbij doorsnedes gebruikt worden waarvan de openingen opgevuld worden met schuim en geschuurd worden tot de aanzichtprofielen. Hete draad kan worden gebruikt, maar dit snijdt de lijm niet en kan moeilijker zijn om te schuren, dus dit is het meest geschikt voor projecten zoals aerofoilprofielen en dergelijke.

De eerste ruwe vorm wordt gemaakt met een traditionele houtzaag. Het schuim kan gemakkelijk in vorm worden gezaagd met de zaag en de basisvorm kan op deze manier gemakkelijk en snel worden gemaakt. Om de vorm verder te verfijnen wordt de andere kant van de mal gebruikt als schuurgeleider om de vorm nauwkeurig te verfijnen. Dit kan met de hand of met een vlakschuurmachine met een schijf van korrel 120.

Voor de fijne afwerking en het vormen van de samengestelde rondingen wordt het blok uit de vrije hand geschuurd zonder sjablonen. Als een hoge mate van nauwkeurigheid nodig is, kunnen extra mallen gebruikt worden om het schuren nauwkeurig te houden. Er moet op gelet worden dat de vorm zich ontwikkelt zoals bedoeld en er moet regelmatig gecontroleerd worden of de voortgang goed is. Deze fase is kritisch omdat hier de uiteindelijke vorm van het project wordt ontwikkeld. Door met de hand over het oppervlak van het blok te gaan, worden vaak hoge en ruwe plekken zichtbaar die anders moeilijk te zien zouden zijn. Het blok wordt dan afgewerkt door het met de hand te schuren om een gladdere afwerking te krijgen en fijne details en rondingen te helpen afwerken.

Het doel van de lossingsfilm is om te voorkomen dat de hars zich aan het schuim hecht. Traditionele lossingsmiddelen zoals was of PVA werken niet op de open structuur van een schuim zoals polystyreen en zorgen ervoor dat de hars zich er nog steeds mechanisch aan hecht, waardoor het moeilijk te verwijderen is. Daarom is het omwikkelen van het schuim met loslaatfolie vaak een snelle en schone manier om een betrouwbare loslating van het polystyreen te krijgen. De loslaatfolie wordt op het schuimblok bevestigd met een conventionele kleverige spuitlijm zoals 3M Super 77 of andere spuitlijmen.

De folie wordt dan op het schuimblok aangebracht en gladgestreken terwijl het wordt aangebracht. Kleine vouwen zijn geen probleem omdat ze niet zichtbaar zijn op het afgewerkte onderdeel. De vorm kan meerdere stukken folie nodig hebben en ze worden op dezelfde manier aangebracht en overlapt en vastgeplakt met Flash Release Tape om het blok volledig te bedekken.

De eerste laag van de lay-up is de peel ply die wordt gebruikt om de binnenkant van het onderdeel een glad en consistent oppervlak te geven. De peel ply wordt op het oppervlak gelegd en gemarkeerd om een snijlijn te maken. Deze wordt vervolgens uitgesneden. Tegelijkertijd kan de peel ply dan worden gebruikt als sjabloon voor het snijden van de koolstofvezel. In dit geval streven we naar een dikte van 1 mm, wat ongeveer drie lagen materiaal is. De vorm van dit project betekent dat het proces wordt opgesplitst in een bovenste en onderste helft voor het lamineren, maar bij veel vormen is het mogelijk om het proces in één keer uit te voeren.

In dit geval wordt de EL2 epoxy lamineerhars gebruikt en wordt er een batch gemengd om de peel ply te lamineren. Er wordt een laag hars op het schuim geborsteld en de peel ply wordt erop gelegd en bevochtigd met hars voordat het koolstofvezellaminaat zelf wordt aangebracht. Bij hand lay-up is de hoeveelheid hars die nodig is om de stof nat te maken even groot als het gewicht van de stof, waardoor het relatief eenvoudig is om de benodigde hoeveelheid hars te berekenen.

Nu de schillaag is bevochtigd, worden de lagen wapening aangebracht en laag voor laag bevochtigd tot alle drie de lagen zijn aangebracht. Zorg ervoor dat de vezels volledig worden bevochtigd, zodat de hars in de vezel van het weefsel wordt opgenomen. Vlakke spreiders, rakelrollen en zelfs rollen met lamellen kunnen worden gebruikt om de hars te verspreiden. Het doel is om de vezels volledig te bevochtigen, maar geen overmatige natte film of harsplassen achter te laten op het oppervlak. Als de lagen wapening zijn aangebracht, kunnen de randen van het weefsel worden afgeknipt om de randen netjes te maken. Laat het laminaat dan volledig uitharden.

Ter voorbereiding op de tweede laag worden de randen van het carbon verwijderd en opgeschuurd met schuurpapier korrel 120. De tweede helft van de laag is ongeveer hetzelfde als de eerste. De tweede helft van de lay-up is ongeveer hetzelfde als de eerste en de peel ply en drie lagen stof worden op dezelfde manier op het oppervlak gelamineerd. Als dit klaar is, laat je het hele onderdeel 24 uur uitharden.

Nu het onderdeel is uitgehard, kun je met korrel 120 het oppervlak van het onderdeel schuren. Het is niet de bedoeling om in het carbon te schuren, maar om kleine hoge plekken te verwijderen en het oppervlak een algemene toets te geven die klaar is voor de harscoating. Dit kan worden gedaan met een vlakschuurmachine, hoewel sommige hoeken en detailzones nog met de hand moeten worden geschuurd voor een gelijkmatige afwerking. Als het oppervlak volledig is geschuurd, moet het onderdeel worden schoongeveegd om stof of vuil te verwijderen.

Een extra harscoating is nodig om een oppervlak te verkrijgen dat vlak en glad kan worden gemaakt zonder in (of door!) de dunne laag koolstofvezel te schuren. XCR Coating Resin is hier ideaal voor en zorgt, eenmaal gevlakt en gepolijst, voor een uitstekende helder glanzende afwerking.

De hars wordt afgewogen en grondig gemengd volgens de 'dubbelpotmethode'. De hars wordt dan in een redelijk dikke laag op het oppervlak geborsteld. Het moet net dik genoeg zijn om niet uit te lopen of te veel uit te vloeien. Als er eenmaal een gelijkmatige laag is aangebracht, laat je de hars gedeeltelijk uitharden tot de B-fase, waarin de hars net stevig maar nog steeds kleverig is. Dit is de ideale fase om extra lagen aan te brengen. Een tweede laag XCR coatinghars wordt op dezelfde manier aangebracht als de eerste laag en moet dan volledig uitharden.

Na het aanbrengen van de XCR coatinghars met een kwast zal het oppervlak glanzend zijn, maar nog steeds een beetje oneffen. Er kunnen ook hoge vlekken, uitlopen en druppels zijn die allemaal weggeschuurd moeten worden. Dit doe je met een vlakschuurmachine met een schuurschijf van 120 korrels. Werk gelijkmatig over het hele oppervlak en controleer regelmatig de voortgang om te zien waar extra werk nodig is.

Het is waarschijnlijk dat je op sommige plaatsen in de koolstofvezel snijdt, als dat het geval is, moet je nog een dunne laag XCR-hars op het onderdeel aanbrengen.

Zodra dat is uitgehard, is een laatste schuurbeurt nodig om alle lichte oppervlaktedefecten te verwijderen. Aangezien de afwerking al aanzienlijk gladder is, kunnen we beginnen met een schijf met korrel 400 en deze glad schuren met de vlakschuurmachine. Vanaf dit punt worden fijnere schuurpapieren gebruikt om de krassen van de vorige schuurkorrel te verwijderen, zodat we een zeer glad oppervlak krijgen dat klaar is om te polijsten.

Op dit punt wordt een schuurschijf met korrel 800 gebruikt. Er wordt een schuiminterfacepad gebruikt tussen de schijf en de schuurmachine omdat dit helpt om het contact met het oppervlak te vergroten bij samengestelde rondingen en om te voorkomen dat er gebieden overgeslagen worden. Dit wordt dan gevolgd door de 1000 en 2000 grit Abralon pads die al een schuimrug hebben zodat er geen interface pad nodig is. Een nevel van water op deze fijnere korrels helpt verstopping van het papier te voorkomen en zorgt voor een gladdere afwerking. Het onderdeel wordt dan grondig gereinigd voordat er verder gepolijst wordt.

Het onderdeel wordt dan gepolijst met ons NW1 grof polijstmiddel. Dit wordt gelijkmatig en spaarzaam over het oppervlak van het onderdeel verspreid en vervolgens gepolijst met een polijstmachine en een zachte pad. Werk gelijkmatig over het oppervlak en houd de pad in beweging om overmatige verhitting van het oppervlak te voorkomen. Als het oppervlak lichtjes warm aanvoelt, laat het dan afkoelen alvorens verder te gaan.

De NW1 is een zelfdovend polijstmiddel, wat betekent dat het fijner wordt naarmate het meer bewerkt wordt. Voor veel toepassingen is de glans van de NW1 voldoende. Voor een zeer hoogglanzende afwerking kan de NW1 echter worden opgevolgd door de TopFinish 2 die op dezelfde manier wordt aangebracht en gepolijst.

Nu moeten alleen nog de wielkuipen worden bijgesneden, het luik uitgesneden en het schuim verwijderd. Er wordt een snijlijn voor het luik uitgezet en vervolgens wordt het luik voorzichtig uitgesneden met een Permagrit 19 mm hardmetalen snijschijf. De wielkuipen worden bijgesneden door met een lamellenwiel in een slijpmachine de bodem weg te schuren en het schuim bloot te leggen. Daarna wordt het luik verwijderd en komt het schuim bloot te liggen.

Je kunt het schuim het beste verwijderen met een beitel en het er met de hand uitscheuren. Hoewel je een sterk oplosmiddel kunt gebruiken, laat dit een hoop brandbare rommel en residu achter om weg te gooien, dus voor een project van deze grootte is handmatig verwijderen de beste methode. Graaf al het schuim uit en verwijder het van het afgewerkte deel. De release film en peel ply zijn dan gemakkelijk van het oppervlak van het onderdeel te scheuren. De gelijkmatige peel ply afwerking is ideaal voor eventuele verdere verlijming of laminering, afhankelijk van de toepassing van het afgewerkte onderdeel.

Er wordt een sponning gemaakt om het luik aan te bevestigen. Dit is eenvoudigweg gedaan door wat 0,75 mm koolstofplaat in stroken te snijden en deze vervolgens op de rand van het onderdeel rond de luikopening te lijmen met wat VM100 Methylmethacrylaatlijm. Het onderdeel werd vervolgens afgewerkt met een gedeeltelijke vinyl wrap en wat decals om het geheel af te maken.